汽车用Ti-6Al-4V-1Ni-0.5Cr钛合金管材的挤压工艺优化

自21世纪以来，人们愈加重视汽车轻量化、节能环保、可持续性发展，而快速发展的汽车也带来了严重的环境问题。因此，对于高性能绿色金属的需求日益增多，铝合金、镁合金、钛合金等金属在近年来得到了迅速的发展[1]，钛合金这种新兴材料，因其密度低、比强度高、弹性模量低、韧性佳、耐疲劳、抗腐蚀等优点而被广泛地应用[2-5]。钛合金的易加工性能使它大量地用于制造各种管材、锻件、板材、棒材等产品[6-7]。但是钛合金耐磨性差，切削加工难度大，使其加工制造有一定难度，熔炼、铸造等工艺中容易和氧、氢等杂质发生反应，生产成本高，在一定程度上限制了钛合金的进一步发展[8-9]。在钛合金管材的挤压过程中，挤压温度、速度、挤压比等都是极其重要的工艺参数，而目前关于钛合金管材挤压方面的研究还较为鲜见[10-11]。所以，本文以Ti-6Al-4V-lNi-0.5Cr钛合金管材为试验对象，研究了挤压温度和挤压比对管材性能的影响，以期为合金管材的挤压工艺优化提供参考。

1、试验材料及方法

研究对象为挤压成形的Ti-6Al-4V-lNi-0.5Cr钛合金管材，其化学成分如表1所示。按照表1所示化学元素配比称量原料，混合均匀后，将原料置于真空自耗电弧炉内进行三次熔炼,熔炼在真空下进行，获得直径为φ462mm的铸锭。在31.5MN油压机上对铸锭进行6火次锻造,得到不同直径的棒坯。采用挤压工艺，在25MN卧式挤压机上成形出钛合金管材，其外径为φ42mm,壁厚6mm。由于挤压温度、挤压速度和挤压比是极其重要的三个挤压参数，模具预热温度350°C,挤压速度70mm/s。所有样品都未进行热处理。

在钛合金管材样品的两端沿纵向分别切取2个拉伸试样，试样平行段尺寸为φ5mm×40mm，拉伸试验温度为室温，试验后记录强度和断后伸长率，以2个平行试样测试值的算术平均值作为试样最终值,拉伸断口形貌则选取EVO型扫描电镜观察。磨损试验在MMU-10G型摩擦磨损试验机上进行，磨损试样大小为φ5mm×13mm,在钛合金管材试样的两端沿纵向各切取一个磨损试样。试验在室温下进行，对磨材料选用硬度45HRC的45钢，摩擦速度0.05 m/s，载荷110N,磨损30min后，记录磨损体积，磨损体积为2次试验后的平均值。采用EVO型扫描电镜观察和分析钛合金管材试样表面的磨损情况。

2、试验结果及讨论

2.1力学性能

2.1.1不同挤压温度下管材的力学性能及拉伸断口形貌

在挤压比16下，经850〜950°C挤压成形的Ti-6AI-4V-lNi-0.5Cr钛合金管材试样的力学性能如图1所示。在850〜950°C挤压温度区间，试样的抗拉强度和屈服强度随着挤压温度的增加而表现为先缓慢增大后减小的变化趋势，断后伸长率的变化则与之相反。从图1可知，试样的抗拉强度和屈服强度的最小值均出现在850°C挤压温度时，强度值分别为1391、1280 MPa,而断后伸长率则在此时最大(17.5%)。综合可知，此时试样的强度最差。随着挤压温度不断升高，断后伸长率减小，强度增大。挤压温度925°C时，抗拉强度值高达1430MPa,断后伸长率15.8%,屈服强度1318MPa；与850°C挤压温度时相比，抗拉强度增大了 39MPa,屈服强度增大38MPa,而伸长率减小幅度较小，仅为1.7%。当挤压温度继续升高至950°C,试样的抗拉强度和屈服强度值均有所减小。

图2是不同挤压温度下挤压成形的Ti-6A1-4V-lNi-0.5Cr钛合金管材试样的拉伸断口 SEM形貌照片。三种试样都具有韧性断裂的特征，在850°C挤压时试样的断口处韧窝尺寸粗大似孔洞，撕裂棱显著，此时试样强度、韧性低下；925 °C挤压时，试样的断口形貌发生巨大改变，韧窝尺寸显著变小，韧窝分布均匀，撕裂棱也更为细小浅显，此时试样的强度、塑性最好；而950°C挤压下试样的韧窝尺寸介于850°C挤压和925 °C挤压之间，力学性能居中。这和之前管材试样的强度、断后伸长率的测试结果是一致的。

2.1.2不同挤压比下试样的力学性能

管材力学性能如图3所示，试样在925°C挤压温度下经挤压比10〜18挤压成形的。在挤压比10~18区间，试样的抗拉、屈服强度值先缓慢增大后减小，伸长率的变化走向则与之相反。从图3可知，试样的抗拉强度和屈服强度的最小值均出现在挤压比10时，强度值分别为1393、1284MPa,而断后伸长率则在此时最大(17.1%),此时试样的强度表现最差。随挤压比增大，断后伸长率减小，强度增大。当挤压比为16时，抗拉强度值达1430MPa,屈服强度达1318MPa,断后伸长率则降至15.8%,此时强度表现最佳，与挤压比10的结果相比，抗拉、屈服强度各增大了 37、34MPa,而伸长率减小幅度较 小，仅为1.3%。综合不同挤压温度和挤压比下的强度测试值和拉伸断口形貌分析可以得知，从优化Ti-6Al-4V-lNi-0.5Cr钛合金管材试样的力学性能出发，挤压温度优选为925°C,挤压比优选为16。

2.2耐磨损性能

2.2.1不同挤压温度下试样的耐磨损性能

在挤压比16下，经850~950°C挤压成形的试样的耐磨损性能如图4所示。在850~950°C挤压温度区间，试样的磨损体积先减小后缓慢增大。从图4可知，在850°C挤压温度时，试样的磨损体积最大，值为28x10^-3mm³,此时磨损最为严重；随着挤压温度不断升高，磨损程度加重，在925 °C挤压温度下试样的磨损体积减小，降至最小值17x10^-3mm³,此时磨损程度最小,耐磨损性能表现最佳，与850°C挤压时相比，磨损体积减小了 39.29%。当挤压温度继续升高至950°C,试样的磨损体积增大至19x10^-3mm³。

2.2.2不同挤压比下试样的磨损情况

在925°C挤压温度下，经10~18挤压比挤压成形的试样的耐磨损性能如图5所示。在挤压比10~18区间，试样的磨损体积先减小后增大。从图5可知，在挤压比10时，试样的磨损体积最大，为27×10^-3mm³此时磨损最为严重；随着挤压比不断增大,磨损体积渐渐减小。当挤压比增至16时，试样的磨损体积减小至最小,17×10^-3mm³，此时磨损程度最小，耐磨损性能表现最佳，与挤压比10挤压时相比,磨损体积减小了 37.04%。当挤压比继续增至18时，磨损体积为18×10^-3mm³,耐磨损性能下降。

图6是经挤压温度925°C和挤压比10、16、18挤压成形的试样的磨损表面SEM照片。在三种挤压比下试样都有一定的磨损，其中，挤压比10的试样表面有较多且粗大的撕裂棱产生，并有少许白色氧化物痕迹，此时磨损最为严重；挤压比16的试样磨损程度得到极大程度减轻，磨痕变浅显，且仅有极少的磨痕产生，此时磨损程度最轻微;但挤压比并非越大越有益于耐磨损性能的提升,挤压比18的试样磨损程度较挤压比16时加重，磨痕增大、增多，耐磨损性能次之。因此，综合之前不同挤压温度和挤压比下试样的磨损体积测试结果来看，从优化耐磨损性能出发，挤压温度优选为925 °C,挤压比优选为16。

3、讨论与分析

由于挤压温度、挤压速度和挤压比是钛合金管材挤压过程中极其重要的三个挤压工艺参数，会较多地影响到管材的综合性能，所以在钛合金管材的挤压过程中，仅改变挤压温度和挤压比，研究了挤压温度和挤压比对其力学性能和耐磨损性能的影响。从试验结果可看出，在925°C挤压温度、挤压比16下试样的抗拉强度、屈服强度最大，磨损体积最小，力学、耐磨损性能处于最优，过低或过高的挤压温度或挤压比下试样的力学、耐磨损性能均较差。原因在于挤压温度和挤压比过低时，合金试样组织内的晶粒无法进行充分的塑性变形，晶粒粗大。随着挤压温度和挤压比的升高，合金试样内部集结了变形热量及储能，试样发生充分的动态再结晶，相逐渐拉长变细，晶粒逐渐细化，晶粒间隙减小，组织变均匀、致密，强度增大，力学性能和耐磨损性能得以提升。但挤压温度、挤压比过高，合金内部会因过高的热量而使组织晶粒长大、粗化，强度相反会下降，力学、耐磨损性能均会变差。综上所述，从优化Ti-6A1-4V-1 Ni-0.5Cr钛合金管材试样的力学性能和耐磨损性能出发，挤压温度优选为925 °C,挤压比优 选为16。

4、结论

(1)在850~950°C挤压温度、挤压比10~18区间，随着挤压温度的升高和挤压比的增加，Ti-6Al-4V-1Ni-0.5Cr钛合金试样的屈服强度、抗拉强度先增大后减小，磨损体积和断后伸长率先减小后增大。

(2) 与850°C挤压的结果相比,925°C挤压时试样的抗拉强度和屈服强度分别增大了 39、38MPa,断后伸长率和磨损体积分别减小了 1.7%.39.29%；与挤压比10时的结果相比，挤压比16的试样抗拉强度和屈服强度分别增大了 37、34MPa,断后伸长率和磨损体积分别减小了 3.7%、37.04%。

(3) 为了优化挤压 Ti-6Al-4V-1Ni-0.5Cr钛合金管材的力学性能和耐磨损性能，挤压工艺参数优选为挤压温度925°C和挤压比16。

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